中性粒细胞衍生的PAD4诱导CKMT1瓜氨酸化，加剧炎症性肠病中的粘膜炎症

2024-08-01 Thu
近年来，针对炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）的研究中，越来越多的证据表明，中性粒细胞在肠道炎症的发生和发展中起到了关键作用。IBD包括克罗恩病（Crohn’s Disease, CD）和溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC），其发病机制尚不完全明了，但异常的免疫应答显然是影响病情的主要因素之一。
研究背景与目的本次研究的目标，是探究在IBD病理过程中，肽基精氨酸脱亚胺酶-4（Peptidyl Arginine Deiminase 4, PAD4）的具体作用及其潜在的底物。研究团队指出，中性粒细胞可以通过形成被称为中性粒细胞细胞外网（Neutrophil Extracellular Traps, NETs）的网状结构来对抗病原微生物，但同时，这种机制也可能破坏细胞连接并诱导肠上皮细胞（Intestinal Epithelial Cells, IECs）的凋亡。因此，理解PAD4在这一过程中的作用显得尤为重要。
研究人员及机构这篇论文由Shuling Wang、Yihang Song、Zhijie Wang等人共同完成，作者主要来自中国上海的海军军医大学、长海医院以及中国科学技术大学。论文于2024年5月8日发表在《Cellular & Molecular Immunology》上。
研究方法与流程研究团队利用单细胞RNA测序（Single-Cell RNA Sequencing, scRNA-seq）和底物瓜氨酸化（citrullination）映射技术，系统地解码了PAD4在由右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎小鼠模型中的作用。
动物实验：研究人员首先通过基因敲除技术生成了PAD4缺失的小鼠（PAD4−／−），并发现这种缺失显著改善了DSS诱导的结肠炎炎症。
单细胞RNA测序：通过对结肠组织进行单细胞RNA测序，研究团队共识别出了17种不同的细胞群，并发现PAD4缺失小鼠中性粒细胞数量显著减少。此外，他们还观察到上皮细胞亚群出现了显著变化。
底物瓜氨酸化映射：利用液相色谱质谱联用技术（LC-MS）进一步验证了PAD4在结肠炎症中的作用，并发现了线粒体肌酸激酶1（Mitochondrial Creatine Kinase 1, CKMT1）是PAD4调控的关键底物。
主要研究结果PAD4缺失重新塑造了肠道细胞景观：
研究发现，PAD4缺失导致DSS处理的小鼠结肠组织中性粒细胞数量显著减少，伴随一系列炎症相关基因表达的显著降低。
在IEC的分析中，发现未成熟的远端上皮细胞减少，但NOS2+CLCA3b+上皮细胞显著增加，这些变化均与氧化磷酸化和自噬途径密切相关。
PAD4通过EVs调节肠道屏障功能：
研究发现在NETs形成过程中，PAD4通过EVs释放进入IECs，影响其细胞存活和屏障功能。
在体外实验中，通过使用PAD4过表达的IEC株系，进一步证明了PAD4在细胞瓜氨酸化过程中的调控作用，增加了细胞凋亡标志物与减少了细胞连接标志物。
CKMT1是PAD4瓜氨酸化的关键底物：
在一系列的质谱分析中，研究团队发现CKMT1的R243位点是PAD4介导瓜氨酸化的主要作用位点。
在PAD4缺失小鼠中，DSS诱导的结肠炎小鼠模型中CKMT1的蛋白稳定性显著改善，表明PAD4通过自噬途径调控了CKMT1的表达。
研究结论与意义通过这一系列深入的研究，团队证明了PAD4在IBD中的重要作用，揭示了PAD4通过瓜氨酸化CKMT1影响IEC的稳态，从而加重IBD病情的重要机制。这些发现不仅为IBD的病理机制提供了新的见解，也为PAD4作为潜在的治疗靶点指明了方向。
研究亮点首次发现PAD4通过EVs在NETs形成过程中传递至IECs并发挥作用。
确定了CKMT1是PAD4瓜氨酸化的关键底物，深入揭示了其在肠道病理中的具体作用。
通过单细胞RNA测序和质谱分析，系统性地解析了PAD4在肠道炎症中的分子机制。
临床相关性通过对IBD患者的临床分析，研究团队进一步验证了PAD4和CKMT1在IBD中的表达变化。数据显示，PAD4和瓜氨酸化水平在IBD患者中显著升高，而CKMT1表达则明显降低，这与结肠的炎症程度呈负相关。此发现为IBD的临床诊断和靶向治疗提供了重要线索。
展望与建议该研究为PAD4在IBD治疗中的应用前景提供了有力的理论支持。未来的研究可以进一步探索PAD4与CKMT1在IBD中的具体调控机制，开发新的治疗靶点和药物，以期为患者带来更有效的治疗方案。